面向预案响应机制的城市内涝可控及推演机制研究
面向预案响应机制的城市内涝可控及推演机制研究
纪颖波1,钟炜2，姜腾腾2，徐瑾2
（1.北方工业大学工程管理系,北京100144;2.天津理工大学管理学院，天津300384)
摘要：为了最大限度地减少城市内涝灾害给城市居民带来的危害，解决突发暴雨下城市预警系统运行中存在的预案不及时、警备不力等问题，针对居民防灾避险快速决策开展城市内涝灾害警情模拟、诊断及控制研究:①选择代表性暴雨内涝频发城市，利用现有数据资料，基于情景假设模拟城市暴雨灾害；②通过引入径向基函数网络建立灾害分析工具，构建警情诊断模型，利用可拓集合理论解决警情与警兆非线性映射问题，研究城市内涝灾害系统警情诊断中可控程度定量化的问题。以北京某大学校区为研究对象，研制了灾害仿真系统模拟暴雨情境下城市内涝灾害状态，其成果可推广应用于其他城市雨洪灾害管理中，对我国提高突发性城市暴雨内涝灾害应急减灾能力具有实践价值。
为了应对并缓解因突发暴雨而引起的城市内涝灾害以及次生灾害，政府管理部门正积极探索制定各类有效的防灾避险可控预案，其中，以情景-应对方法构建减灾预案模型具有精度高和切合实际的特点，成为近年的研究热点。然而，通过文献资料分析发现，对城市内涝灾害减灾管理的研究多在单一静态灾害特征下进行，这与内涝灾害的客观实际并不相符，因为，普遍意义内的城市内涝灾害系统具有“多重模糊”的复杂特性，即：不确定性(暴雨本身具有时空分布不均的特点）、动态性(城市化进程是动态发展的，需结合不同时期及未来可能状况下进行分析）。而现有的灾害预警系统没有充分考虑成灾因子、预警指标、预案分级三者的关联效应，对于预案可控度的定量化及预案响应级别推演方法研究甚少，导致政府决策部门对突发城市内涝灾害减灾预案的判断处理精准度不足。
1 城市内涝灾害系统可控过程分析
基于对目前相关研究的梳理与分析，构建了面向预案相应机制的城市内涝灾害系统模拟方法，该方法流程如图1所示。
图1 基于预案响应机制的城市内涝灾害系统可控过程
该模拟方法主要包含以下两方面内容:
① 多数研究集中于对灾害静态或是动态特征某一方面的分析，然而，内涝灾害的动态性体现在“多重模糊”特性的统一体，与客观实际不符。有鉴于此，对现有研究进行有机组合以构建城市内涝灾害系统的特征框架，然后在此基础上，对灾害过程演化的模拟将包含成灾因子与不确定环境下的影响要素的规律变化、灾害演化过程驱动因素及其作用效果的差异两部分。前者主要描述灾害环境要素转换过程，后者则明确由突发暴雨导致内涝灾害的因果关系。
② 在当前减灾预案实证研究中，通常在定性的预案等级和强度下进行数模分析，忽略了影响较强的预警阈值属性，无法精准描述灾害—预案响应动态演化的全过程，使得研究成果的实用性与可靠性有待提高。鉴于此，本研究运用数理统计、优化决策、智能建模方法，将预警级别与预案触发阈值之间的可控度定量化作为关键研究内容，通过纵向研究的方式（对突发城市内涝灾害情景推演辅以实地调研和历史资料分析）筛选样本数据对预案响应动态演化机理进行分析。
2 城市内涝灾害系统推演模型建立
2.1 推演概念模型系统分析
本文将城市内涝灾害应急预案推演模型的构建为研究目标，采用可视化情景演化模型模拟城市低洼(非蓄水)区域城市内涝灾害，作为初始灾害信息数据平台；运用多为关联函数方法解决内涝灾害成灾要素与预警指标之间的不规则关联问题，采用径向基函数网络模型(RBFNN)解决灾害预案响应可控度定量化问题。本研究将结合拟选定内涝频发城区，根据区域内易形成积水的低洼区域的实际情况，通过开展灾害安全管理、水资源系统工程、现代信息科学等理论和技术的交叉与融合，实现面向预案响应的城市内涝灾害系统模拟与减灾预案推演系统模型。
模型中三个关键内容如下:
① 考虑城市暴雨内涝灾害本身及周边环境的“多重模糊”特性，分析成灾因子、孕灾环境以及它们之间的相互作用与转化关系，构建基于可视化情景演化模型的暴雨内涝灾害模拟系统，建立符合客观实际的城市内涝灾害过程演化模拟方法；
② 以历史暴雨资料数据和对应预案级别构建关联度模型，在预案响应信息源中表征提炼灾害预警指标体系，提出解决灾害风险要素与预警指标之间非线性映射问题的模型方法；
③ 分析实际灾害发生时车辆、人流的行为动机和选择方式影响因素，在对研究区域路网进行路径动态分析的基础上，依据案例推理和规则推理相结合原则，构建城市内涝灾害减灾预案可控度定量化模型，解决减灾预警级别与预案触发阈值之间可控度定量模糊问题。
关键预警指标集与关联度表征见图２。
图2 基于预案响应机制的城市内涝灾害系统模型示意
2.2 推演模型建立
2.2.1 城市内涝灾害情景模拟系统构建
① 由之前研究得知，城市内涝灾害成灾过程是在雨水、下垫面、排涝情况等因素的影响下的动态演化结果，深入分析城市内涝灾害特征和灾害链类型是研究的首要基础。
② 综合考虑城市暴雨内涝灾害的“多重模糊”特性，以实际降雨资料模拟客观实际的突发暴雨、道路、车辆、人流等外部因素构成的关键假设灾害情景方案，建立城市内涝灾害情景演化模型。
2.2.2 预警指标关联影响度分析
① 灾害预警指标的甄选及关联问题。进行实地调研和考察，查找历史灾害数据库，筛选灾害风险要素集，计算风险要素对应的灾害频度概率值，建立灾害预警指标体系用于指导灾害数据采集。
② 从灾害模拟系统产生的初始信息源中筛选灾害风险要素指标集，建立灾害风险要素与预警指标之间的关联规则函数；建立灾害频度-预案强度关系函数，实现原因—结果间的非线性映射关系。
2.2.3 减灾预案等级推演模型
① 分析研究减灾预案可控度定量化问题，确定灾害类型对应的预警指标阈值。利用径向基函数网络模型（RBFNN）建立灾害成灾要素与预警分级关联模型，确定灾害分级类型。
② 建立预警可控度指标集（判断预案等级和强度的关键），由指标集划分可控域；基于灾害分级类型，建立减灾预警级别与预案触发阈值之间可控度定量模型，即预案等级推演模型。
2.3 模型求解方法
选择内涝灾害频发真实区域作为试验区开展应用研究，其突出优点表现为：①可实践验证所建立模型的可行性和有效性；②对模型进行适当的修正以得出可靠的结果。结合本课题提出的三项主要研究内容，拟采用的模型各部分求解方法如下：
① 减灾预案等级推演模型构建方法——径向基函数网络模型。建立基于历史数据的灾害成灾要素与预警分级关联度RBFNN模型，确定灾害分级类型和预警可控度参数；利用历史灾害资料数据进行分析，确定关键预警指标阈值；建立诊断模型将关键预警指标评估值与预警指标阈值进行跟踪比较，一旦超过预警指标阈值便发出信号(见图3)，对诊断模型进行分析，产生事件处置判定变量，输入至减灾预案等级推演模型，实现预警响应逻辑构架。
图3 面向预案响应机制的城市内涝灾害系统可控模型
② 城市暴雨内涝灾害情景演化模型构建方法——情景模拟、Petri网规则描述。本文研究中广泛收集了试验区内各类水文基础数据资料以及区域地理环境、主要道路、排水管网及渠道、人流分布等空间分布数据资料，识别城市内涝灾害链类型，建立城市内涝灾害情景演化模型，可提供突发暴雨灾害事件发生时内涝灾害承灾体、致灾因子和孕灾环境等相互作用形成的状态信息，结合Petri网规则描述作为情景数据源生成工具，成为建立内涝灾害风险要素集的背景信息。
③ 内涝灾害关键预警指标集构建及其与灾害风险要素关联度表征方法——多维关联函数。查找历史灾害数据库，对灾害风险要素集进行筛选，运用数理统计方法寻找风险要素与预警指标之间的关联规则，建立城市内涝灾害预警指标体系，拟采用多维关联函数模型解决城市内涝灾害风险要素与关键预警指标之间的非线性映射问题，通过拟合计算，得出描述灾害风险要素与警情指标之间的关联度函数。
3 实证分析
2012年7月21日至22日8:00左右，我国大部分地区遭遇暴雨，其中北京及其周边地区遭遇61年来最强暴雨及洪涝灾害。根据北京市政府举行的灾情通报会的数据显示，此次暴雨造成房屋倒塌10 660 间、160.2万人受灾，经济损失达116.4亿元。为进一步研究此次暴雨内涝事件对于城市内涝损失以及验证本文所建立模型，通过获取此次特大暴雨内涝灾害相关数据，基于情景模拟方法模拟了此次暴雨内涝灾害北京市区某大学校区灾害受损情况，由于上述区域地势低洼易形成内涝积水；此外，校区排水设施相对于地表建设明显滞后导致排水不畅，上游来水所经路途很短，迅速进入市区河道，在城市附近采取分洪和洼淀滞洪都很困难，一旦遭遇特大暴雨，积水成灾不可避免。
根据本文所建立的城市内涝灾害系统可控模型，做出灾害等级判别及风险评估分析，基于上述理论研究和ARCGIS平台上利用API二次开发接口进行C#编程的研究方法进行了实证分析，相关系统界面如图4、图5所示。
图4 研究区域内涝灾害数据库界面（包含内涝数据和计算后的灾害分级数据）
图5 研究区域内涝灾害模拟界面（灾害区域内红、橙、黄、蓝四级灾害预警模拟）
系统采用科学的建模方法及优化计算技术，以获取准确、有效的模型输入数据，并准确诊断出事故发生概率和后果严重程度，实现了灾害警情可控度定量化，形成警情诊断结果。通过对防灾避险预案的级别和对应技术措施的实施强度进行有效的判断，从而提高城市内涝灾害居民防灾避险应急预案启动反应速度、防范措施实施强度和政府指挥决策的准确性。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第10期“述评与讨论”栏目）
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